[发明专利]开关功率放大器及其控制方法、控制系统

说明书

本发明公开了一种开关功率放大器及其控制方法、控制系统，以BUCK电路输出电容作为能量缓冲环节，平衡输入侧和输出侧不平衡能量，同时通过控制两个BUCK电路的输出电压差值实现对额定电压的跟踪保证输出电压波形质量。本发明中两个BUCK电路所需功率器件、无源器件数量均与常规单相逆变器相同，同时本发明有效的抑制了直流母线电压电流纹波，实现了功率解耦，适用范围宽泛。

技术领域

本发明涉及电气工程中的电源技术领域，特别是一种开关功率放大器及其控制方法、控制系统。

背景技术

传统的开关功率放大器结构如图1所示。其包括储能电容C_dc，四个功率器件组成的两个半桥电路S₁、S₂和S₃、S₄，两个滤波电感L_f1、L_f2和一个滤波电容C_f。储能电容C_dc与由功率器件S₁、S₂串联而成的第一半桥电路并联，第一半桥电路与由S₃、S₄串联而成的第二半桥电路并联。两个滤波电感一端L_f1、L_f2分别连接第一半桥电路、第二半桥电路的中点(即半桥电路的输出端，也即滤波电感一端对应接入半桥电路两个功率器件之间)，两个滤波电感另一端分别接滤波电容C_f两端。

开关功率放大器作为常用的DC/AC变换器之一，其本质为单相逆变器。但是受自身结构和输出波形的影响，开关功率放大器工作时会因为直流功率与交流功率耦合导致输入输出瞬时功率不均衡，使得直流母线存在电压纹波和电流纹波，进而影响前级直流供电电源的工作性能，如增加前级电流纹波会降低直流电源的工作效率。

面对这一开关功率放大器的共性问题，工程上目前往往通过增加直流侧电容作为缓冲环节，以此抑制直流母线上的低频波动。但是这种方法会导致开关功率放大器的体积和造价大幅上升。对近年来，在开关功率放大器功率解耦方面的发明专利申请回顾对比如下：“具有主动功率解耦功能的单相并网逆变器及功率解耦方法”(公开号：CN104104256A，公开日：2014年10月15日)，其通过在直流电容旁并联半桥变换器的方法可以实现直流功率与交流功率的解耦，但是其需要额外配置一个半桥变换器和一个缓冲电容器，增加了装置的体积和价格。“电流补偿方法、功率解耦电路及功率变换器系统”(公开号：CN110690812A，公开日：2020年01月14日)，其通过在直流电容上串联一个全桥变换器，对电容上的电压波动进行补偿，但是该方法需要多增加一个全桥变换器，而且控制环节的复杂程度大大提高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种开关功率放大器及其控制方法、控制系统，无需增加其他功率器件和无源器件，大幅减少开关功率放大器直流侧电容数量，缩小装置体积。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种开关功率放大器，包括m个半桥电路；每个所述半桥电路输出端接一个滤波电感；每一个所述滤波电感与一个滤波电容连接；m个滤波电容并联。

本发明通过多路半桥进行并联，可以有效增加开关功率放大器的输出电流，增加装置的输出功率。同时滤波电容可以作为能量缓冲环节对开关功率放大器的直流功率和交流功率进行解耦。m个滤波电容大幅增加了滤波环节的储能能量，增强了装置功率解耦的能力。

由于输出电压为交流电压，为了保证装置在输出时保持一致性，所有滤波电容的容值相等。

第一个滤波电容的容值C_f1满足以下关系式：其中，P_dc表示开关功率放大器的输出平均功率，ω_out表示开关功率放大器的输出角频率。v_dc表示直流侧电压值。当滤波电容容值大于此阈值时，电容上所储存的能量足够平衡交流功率所产生的能量，可以实现直流功率和交流功率的完全解耦。